Физики открыли новый вид нанотрубок, которые генерируют ток в присутствии света. Такие устройства, как оптические датчики и чипы инфракрасного изображения, вероятно, могут быть полезны в таких областях, как автоматизированный транспорт и астрономия. В будущем, если эффект удастся усилить, а технологию масштабировать, это может привести к созданию высокоэффективных устройств на солнечной энергии.
Работая с международной командой физиков, профессор Токийского университета Ёсихиро Иваса исследовал возможные функции специальной полупроводниковой нанотрубки, когда у него случился озарение. Он взял эту пресловутую лампочку (которая на самом деле была лазером) и посветил ею на нанотрубку, чтобы обнаружить нечто просветляющее. Определенные длины волн и интенсивности света индуцируют ток в образце - это называется фотогальваническим эффектом. Существует несколько фотогальванических материалов, но природа и поведение этой нанотрубки вызывает волнение.
«По сути, наш исследовательский материал вырабатывает электричество, как солнечные панели, но другим способом», - сказал Иваса. «Вместе с доктором Иджином Чжаном из Института исследований твердого тела им. Макса Планка в Германии мы впервые продемонстрировали, что наноматериалы могут преодолеть препятствие, которое вскоре ограничит современные солнечные технологии. На данный момент солнечные панели настолько хороши, насколько это возможно, но наша технология могла бы улучшить это».
Токоиндуцирующая нанотрубка изготовлена из свернутых листов специального полупроводникового материала на основе дисульфида вольфрама (WS2). Листы не индуцируют ток в присутствии света, если только они не свернуты в трубки. Это эмерджентное поведение, не свойственное материалу, пока он не будет изменен. Интересно, чем он отличается от существующих фотогальванических материалов.
Как правило, в фотоэлектрических солнечных панелях используется определенное расположение материалов, называемое p-n переходом. Здесь соединены два разных типа материалов (p-типа и n-типа), которые сами по себе не генерируют ток в присутствии света, но при соединении вместе создают его. Фотогальванические элементы на основе p-n-переходов повысили свою эффективность примерно за 80 лет с момента их открытия. Тем не менее, они приближаются к своим теоретическим пределам отчасти из-за необходимости размещения нескольких материалов.
Нанотрубки WS2 не полагаются на соединение между материалами для получения фотогальванического эффекта. При воздействии света они генерируют ток по всей своей структуре или объему. Это называется объемным фотогальваническим эффектом (BPVE) и возникает из-за того, что нанотрубка WS2 не является симметричной, если ее перевернуть. Если бы он был симметричным, индуцированный ток не имел бы предпочтительного направления и, следовательно, не протекал бы. Таким образом, другие симметричные нанотрубки, такие как знаменитые углеродные нанотрубки, не проявляют BPVE, несмотря на то, что являются отличными электрическими проводниками.
«Наше исследование показывает улучшение эффективности BPVE на целый порядок по сравнению с его присутствием в других материалах», - продолжил Иваса. «Но, несмотря на этот огромный выигрыш, наша нанотрубка WS2 пока не может сравниться с генерирующим потенциалом материалов с p-n переходом. Это связано с тем, что устройство является наноскопическим, и его будет трудно увеличить. Но это возможно, и я надеюсь, что химики вдохновятся на это. этот вызов."
В долгосрочной перспективе исследователи надеются, что такой материал позволит производить более эффективные солнечные панели. Но, учитывая обозримые ограничения по размеру в ближайшем будущем, более вероятно, что он найдет применение в других приложениях. BVPE можно использовать для создания более чувствительных и высокоточных оптических или инфракрасных датчиков. Они находят дополнительное применение во встроенных устройствах мониторинга, беспилотных автомобилях с датчиками или даже в датчиках изображения для астрономических телескопов.
«Мои коллеги со всего мира и я с нетерпением изучаем потенциал этой беспрецедентной технологии», - заключил Иваса. «Для меня идея создания новых материалов, превосходящих все, что может дать природа, сама по себе является увлекательной наградой».